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      掃描電鏡(SEM)在失效分析中的應(yīng)用

      2011-06-23 03:02:04石祝竹
      裝備制造技術(shù) 2011年11期
      關(guān)鍵詞:掃描電鏡斷口形貌

      石祝竹,莫 煜

      (上汽通用五菱汽車股份有限公司,廣西 柳州545007)

      掃描電鏡(SEM)是利用靜止的或在樣品表面做光柵掃描的一束精細(xì)聚焦的電子束,轟擊樣品表面產(chǎn)生各種信號(hào),利用電磁透鏡系統(tǒng)成像,對(duì)固體材料進(jìn)行分析的儀器。由于SEM具有分辨率高(納米級(jí))、景深大而且可以從數(shù)十倍到數(shù)千倍連續(xù)放大的功能,因此自問世以來就成為材料研究和失效分析的利器。判斷失效的模式,查找失效原因和機(jī)理,提出預(yù)防再失效的對(duì)策的技術(shù)活動(dòng)和管理活動(dòng),稱為失效分析。

      1 掃描電鏡

      1.1 簡(jiǎn)介

      掃描電鏡是用極細(xì)的電子束在樣品表面掃描,將產(chǎn)生的二次電子用特制的探測(cè)器收集,形成電信號(hào)運(yùn)送到顯像管,在熒光屏上顯示物體表面的立體構(gòu)像,可攝制成照片。掃描電鏡的另一個(gè)重要特點(diǎn)是景深大、圖像富立體感。掃描電鏡的焦深比透射電子顯微鏡大10倍,比光學(xué)顯微鏡大數(shù)百倍。由于圖像景深大,故所得掃描電子像富有立體感,具有三維形態(tài),能夠提供比其他顯微鏡多得多的信息,這個(gè)特點(diǎn)對(duì)使用者很有價(jià)值。掃描電鏡所顯示的斷口形貌從深層次,高景深的角度呈現(xiàn)材料斷裂的本質(zhì),在教學(xué)、科研和生產(chǎn)中,有不可替代的作用,在材料斷裂原因的分析、事故原因的分析以及工藝合理性的判定等方面是一個(gè)強(qiáng)有力的手段。

      1.2 工作原理

      掃描電鏡基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。

      圖1 掃描電鏡系統(tǒng)構(gòu)造

      工作過程為:

      電子槍熱陰極發(fā)射的電子受到陽極電壓(1~50kV)加速并形成筆尖狀電子束,其最小直接10~50 μm量級(jí),經(jīng)過2~3個(gè)磁透鏡的匯聚作用,在樣品表面匯聚成一個(gè)細(xì)束流。

      在末透鏡上部的掃描線圈的作用下,細(xì)電子束在樣品表面做光柵裝掃描。

      掃描電鏡采用的是逐點(diǎn)成像的圖像分解法。電子束在樣品上做光柵掃描的同時(shí),顯像管中的電子束與此做同步掃描。

      這樣,在熒光屏上顯示出樣品的表面微觀形貌。掃描區(qū)域越小,相同面積熒光屏上顯示的圖像放大倍數(shù)就越大。

      由一個(gè)閃爍體和緊接著它的光導(dǎo)管組成的探測(cè)器,俘獲主要由二次發(fā)射以及部分背散射電子組成的信號(hào)電子,轉(zhuǎn)換成光子。再由光電倍增管和放大器將他們轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)。

      利用CCD實(shí)時(shí)信號(hào)采集的方法可以對(duì)圖像進(jìn)行記錄。

      1.3 放大倍數(shù)

      一般的電鏡掃描設(shè)備放大倍數(shù)范圍從×25到×250000。一些高端的設(shè)備甚至達(dá)到200萬倍的放大倍率。從采樣大小的角度來看,大約是從60~0.4 nm的范圍。傳統(tǒng)光學(xué)顯微系統(tǒng)的放大倍率受到儀器波長(zhǎng)和光瞳的限制。從理論上,電子的波長(zhǎng)只是可見光的十萬分之一,從而在理論上分辨率可以提高105倍,但由于球差的影響,電子顯微鏡的本辨率比光學(xué)顯微鏡值提高了數(shù)千倍。

      1.4 在發(fā)動(dòng)機(jī)工程中的應(yīng)用

      分析失效零件的失效機(jī)理,找出零部件失效原因;

      利用掃描電鏡中的光譜分析功能,分析試驗(yàn)后機(jī)油的金屬微小顆粒來自哪個(gè)零部件;

      分析磨損的類型,分析微小磨損顆粒的來源;

      分析加工品質(zhì)和尋找加工缺陷。

      2 失效分析的運(yùn)用

      零件的失效是指零件由于某種原因,導(dǎo)致其尺寸、形狀、或材料的組織與性能發(fā)生變化而不能完滿地完成指定的功能。

      零件失效的危害性,是導(dǎo)致機(jī)械不能正常工作,降低生產(chǎn)效率,降低產(chǎn)品品質(zhì);導(dǎo)致機(jī)械不能工作,停工停產(chǎn),造成重大經(jīng)濟(jì)損失;導(dǎo)致機(jī)毀人亡。

      零件失效分析,是判斷零件失效性質(zhì)、分析零件失效原因、研究零件失效的預(yù)防措施的技術(shù)工作。

      2.1 工作內(nèi)容

      (1)判斷零件失效性質(zhì)。常見的有畸變失效、斷裂失效、磨損夫效和腐蝕失效;

      (2)分析零件失效原因??梢詮脑O(shè)計(jì)、材料、加工、裝配、使用、維護(hù)著手;

      (3)研究零件失效的預(yù)防措施,保障產(chǎn)品品質(zhì)。常用的有修改設(shè)計(jì)、更換材料、改進(jìn)加工、合理裝配、正確使用和及時(shí)維護(hù)等;

      2.2 分析的意義

      產(chǎn)品品質(zhì)是企業(yè)的生命線。提高產(chǎn)品品質(zhì)、延長(zhǎng)零部件的使用壽命,是企業(yè)的立足之本。

      減少和預(yù)防同類機(jī)械零件的失效現(xiàn)象重復(fù)發(fā)生,保障產(chǎn)品品質(zhì),提高產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力。

      分析機(jī)械零件失效原因,為事故責(zé)任認(rèn)定、裁定賠償貢任、保險(xiǎn)業(yè)務(wù)、修改產(chǎn)品品質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)等提供科學(xué)依據(jù)。

      為企業(yè)技術(shù)開發(fā)、技術(shù)改造提供信息,增加企業(yè)產(chǎn)品技術(shù)含量,從而獲得更大的經(jīng)濟(jì)效益。

      2.3 斷裂失效的分類和斷口分析

      斷裂失效為機(jī)械零件因斷裂而產(chǎn)生的失效,其分類有塑性斷裂、脆性斷裂、疲勞斷裂、蠕變斷裂失效,通過斷口的形貌觀察與分析,可以研究材料的斷裂方式(穿晶、沿晶、解理、疲勞斷裂等)與斷裂機(jī)理,這是判斷材料斷裂性質(zhì)和斷裂原因的重要依據(jù),特別是材料的失效分析中,斷口分析是最基本的手段。通過斷口的形貌觀察,還可以直接觀察到材料的斷裂源、各種缺陷、晶粒尺寸、氣孔特征及分布、微裂紋的形態(tài)及境界特征等。

      2.4 分析的步驟

      (1)事故調(diào)查。一為現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查,現(xiàn)場(chǎng)保護(hù),拍照錄象,現(xiàn)場(chǎng)情況記錄;二為失效件的收集,關(guān)鍵失效件的查找、收集,相關(guān)零件的收集;三為走訪當(dāng)事人和目擊者,失效事故發(fā)生前的異常現(xiàn)象,事故發(fā)生時(shí)的情況。

      (2)資料搜集。一為設(shè)計(jì)資料——機(jī)械設(shè)計(jì)資料,零件圖;二為材料資料——原材料檢測(cè)記錄;三為工藝資料——加工工藝流程卡、裝配圖;四為使用資料——維修記錄,使用記錄等。

      2.5 工作流程

      (1)原則。先簡(jiǎn)單后復(fù)雜,先宏觀后微觀。

      (2)失效機(jī)械的結(jié)構(gòu)分析。失效件與相關(guān)件的相互關(guān)系,載荷形式、受力方向的初步確定

      (3)失效件的粗視分析。用眼睛或者放大鏡觀察失效零件,粗略判斷失效類型(性質(zhì))。

      (4)失效件的微觀分析。用金相顯微鏡、電于顯微鏡觀察失效零件的微觀形貌,分析失效類型廠性質(zhì))和原因。

      (5)失效件材料的成分分析。用光譜儀、能譜儀等現(xiàn)代分析儀器,測(cè)定失效件材料的化學(xué)成分。

      (6)失效件材料的力學(xué)性能檢測(cè)。用拉伸試驗(yàn)機(jī)、彎曲試驗(yàn)機(jī)、沖擊試驗(yàn)機(jī)、硬度試驗(yàn)機(jī)等測(cè)定材料的抗拉強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度、沖擊韌度、硬度等力學(xué)性能。

      (7)應(yīng)力分析、測(cè)定。用X光應(yīng)力測(cè)定儀測(cè)定應(yīng)力;

      (8)失效件材料的組成相分析。用X光結(jié)構(gòu)分析儀分析失效件材料的組成相;

      (9)模擬試驗(yàn)(必要時(shí))。在同樣工況下進(jìn)行試驗(yàn),或者在模擬工況下進(jìn)行試驗(yàn)。

      2.6 分析結(jié)果的提交

      提出失效性質(zhì)、失效原因;

      提出預(yù)防措施(建議);

      提交失效分析報(bào)告。

      3 工程案例

      發(fā)動(dòng)機(jī)某螺栓試驗(yàn)后發(fā)生異常,經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)了斷裂。需要對(duì)其失效原因進(jìn)行分析,確定失效機(jī)理,查找根本原因。

      斷裂螺栓見圖2。從圖中看到斷裂的螺栓存在彎折變形,斷口處存在明顯的徑縮現(xiàn)象。

      將螺栓斷口清洗后,置于LEICAS8AP00型體視光學(xué)顯微鏡下觀察,斷口宏觀形貌見圖3,存在剪切唇,中部比較粗糙,具有韌性斷裂的宏觀特征。

      圖2 螺栓斷裂處宏觀形貌

      圖3 螺栓斷口宏觀形貌

      從材料力學(xué)的理論分析,端口的宏觀斷面與最大正應(yīng)力方向呈45°,可以初步判斷該失效為韌性斷裂。為了進(jìn)一步確認(rèn)宏觀的判斷,需要借助掃描電鏡進(jìn)行微觀的分析。

      3.1 微觀電鏡掃描斷口分析

      將斷裂的螺栓清洗后,置于PHILIPS XL-30型掃描電子顯微鏡下觀察,螺栓開裂源處外表面的SEM形貌見圖4和圖5,存在大量與斷口大致平行的細(xì)小裂紋;圖6為螺栓邊緣剪切唇區(qū)域的低倍SEM形貌,圖7為其高倍SEM形貌,為韌窩;圖8為螺栓中心粗糙區(qū)域的低倍SEM形貌,圖9為其高倍SEM形貌,亦為韌窩??梢姅嗔训穆菟轫g性斷裂。

      3.2 分析結(jié)論

      圖4 螺栓側(cè)面SEM形貌 ×50

      圖5 螺栓側(cè)面SEM形貌 ×100

      斷裂的螺栓存在嚴(yán)重彎折變形和縮徑,開裂源處外表面的SEM形貌可見大量與斷口大致平行的細(xì)小裂紋,斷口SEM形貌為韌窩,屬于韌性斷裂。

      圖6 螺栓斷裂面SEM形貌 ×30

      圖7 螺栓斷裂面SEM形貌×500

      圖8 螺栓斷裂面SEM形貌 ×6

      圖9 斷裂起始處折疊特征×500

      3.3 解決措施

      (1)校核改螺栓的受力情況,檢查螺栓是否有過載情況;

      (2)選用更強(qiáng)的螺栓等級(jí)或者加大螺栓公稱直徑。

      4 結(jié)束語

      隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,電鏡掃描在微觀領(lǐng)域給予了工程領(lǐng)域新的力量。在機(jī)械工程行業(yè),無論是開發(fā)驗(yàn)證或者是市場(chǎng)上的產(chǎn)品,都不可避免會(huì)遇到零部件失效問題,而斷裂又是非常常見的失效形式。通過電鏡掃描,可以找出斷裂的形式,進(jìn)而科學(xué)準(zhǔn)確地分析問題的根本原因,進(jìn)而能夠改善設(shè)計(jì)和改善品質(zhì)。電鏡掃描技術(shù)作為一股新力量,在工程領(lǐng)域的應(yīng)用,將會(huì)越來越廣泛地起到越來越重要的作用。

      [1]朱張校.工程材料 [M].北京:清華大學(xué)出版社,2000.

      [2]孫 智.失效分析:基礎(chǔ)與應(yīng)用 [M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2005.

      [3]莊東叔.材料失效分析[M].上海:華東理工大學(xué)出版社,2009.

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